鋼廠300 MW CCPP機組燃氣輪機低熱值運行技術(shù)

汪 新，原 超，霍兆義

（1.鞍山鋼鐵集團公司第二發(fā)電廠，遼寧 鞍山 114012；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

鋼廠300 MW CCPP機組燃氣輪機低熱值運行技術(shù)

汪 新1，原 超1，霍兆義2

（1.鞍山鋼鐵集團公司第二發(fā)電廠，遼寧 鞍山 114012；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

為了減少焦爐煤氣用量，對300 MW的M701S（F）型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組進行高爐煤氣和焦爐煤氣摻燒調(diào)整試驗。通過燃氣輪機進口燃料熱值自動控制，在保證機組運行穩(wěn)定的條件下，分析燃料熱值與機組負荷之間的關系，改進控制策略，從而實現(xiàn)減少焦爐煤氣摻混量，降低發(fā)/供電燃料成本，提高機組創(chuàng)效能力。實際運行結(jié)果表明，通過采取切實有效的控制策略和技術(shù)措施，減少焦爐煤氣摻混量降低發(fā)電燃料成本的方案可行。

燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)；高爐煤氣；焦爐煤氣；控制策略

燃用副產(chǎn)煤氣的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（Combined cycle power plant，CCPP）具有二次能源利用發(fā)電成本低，有效減少煤氣放散，熱效率高，建設周期短，單位容量投資費用低，用地和用水少，污染物排放量少等優(yōu)點，自21世紀以來，在我國各大鋼鐵企業(yè)得到了廣泛應用［1-3］。

根據(jù)發(fā)熱量將鋼廠副產(chǎn)煤氣分為三類，即發(fā)熱量高于15 070 kJ/m3的高熱值煤氣，如焦爐煤氣，主要成分為H2和CH4，燃燒穩(wěn)定，適用于做工業(yè)爐燃料和城市煤氣；發(fā)熱量介于6 280～15 070 kJ/m3的中熱值煤氣，如COREX煤氣；發(fā)熱量低于6 280 kJ/m3的低熱值煤氣，如高爐煤氣，很難獨立燃燒。目前國內(nèi)鋼廠CCPP機組的燃料多采用以高爐煤氣為主，同時摻燒部分高熱值的焦爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣，提高燃氣熱值以穩(wěn)定燃燒［4］。與常規(guī)天然氣CCPP機組相比，采用低熱值煤氣燃料的機組具有其特殊性，工藝及控制系統(tǒng)更加復雜，需要保證熱值控制的穩(wěn)定度和靈敏度［5-6］。煤氣熱值是煤氣摻燒后的最終體現(xiàn)，是CCPP機組負荷和效率的主要影響因素，混合煤氣熱值的合理設定對提高CCPP機組運行的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性非常重要。一旦運行熱值偏離設定值太多，尤其是在焦爐煤氣供應不足導致混合煤氣熱值降低的情況下，不僅會導致機組出力降低、效率下降，甚至會導致機組自動停機。因此，擴展燃氣輪機運行熱值范圍，研究機組低熱值運行技術(shù)，在保證燃燒穩(wěn)定和機組總出力的前提下，充分發(fā)揮設備潛能，從而減少焦爐煤氣摻混量具有重要的實際應用價值。馬鳴太對寶鋼COREX煤氣系統(tǒng)的熱值調(diào)節(jié)穩(wěn)定方法和控制策略進行了研究，并在寶鋼電廠1號CCPP機組運行中完成了現(xiàn)場調(diào)試［7］。雍一正以燃燒穩(wěn)定性控制為中心，分析和探討了M701SDA高爐煤氣燃氣輪機低熱值工況運行的可行性，擴展了M701SDA機型的煤氣熱值運行范圍［8］。

本文以300 MW的M701S（F）型燃氣輪機CCPP機組為實驗平臺進行低熱值運行試驗，收集不同熱值、不同負荷下燃氣輪機的運行參數(shù)，研究機組的熱值控制策略和低熱值運行技術(shù)。300 MW CCPP機組是目前國內(nèi)最大的高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目，低熱值運行技術(shù)的實現(xiàn)將可以有效降低機組發(fā)/供電燃料成本，提高機組創(chuàng)效能力。

1 混合煤氣熱值控制系統(tǒng)

高爐煤氣是高爐煉鐵時產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其可燃范圍窄、燃燒速度低、發(fā)熱量低、含塵量大、有毒。燃氣輪機以低熱值的高爐煤氣作為燃料時，為保證燃燒的穩(wěn)定性、避免熄火、控制CO排放，提高燃燒效率，需要摻混入高熱值的焦爐煤氣。保持混合后的煤氣熱值合適，就可以保證機組在各種工況下實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。

圖1 熱值控制流程Fig.1 Calorific control diagram

混合煤氣熱值控制流程如圖1所示。通過控制焦爐煤氣流量調(diào)節(jié)閥A、B、C的開度來控制摻混的焦爐煤氣流量，進而控制進入燃機的混合煤氣熱值恒定。焦爐煤氣流量調(diào)節(jié)閥A、B、C的開度命令值是通過焦爐煤氣與混合煤氣燃料的體積流量比所確定的控制信號輸出CSO所確定的。焦爐煤氣的混合比率一定就可保證混合煤氣的熱值一定，可以避免由于燃料消耗量的快速變化而引起燃燒不穩(wěn)定發(fā)生。熱值控制包括以下三部分：

（1）熱值前饋控制。焦爐煤氣與混合煤氣燃料的體積流量比計算式

式中：FC為焦爐煤氣流量；F為混合煤氣流量；C為混合煤氣熱值；CB為高爐煤氣熱值；CC為焦爐煤氣熱值。

（2）熱值反饋補償控制。將熱值儀的測量值與熱值設定值做比較，通過反饋調(diào)節(jié)使測量值與設定值相等。

（3）焦爐煤氣流量調(diào)節(jié)閥壓差補償控制。由熱值前饋控制和反饋補償控制計算所確定的焦爐煤氣混合比率乘以控制信號輸出CSO得到需要的焦爐煤氣流量。焦爐煤氣流量調(diào)節(jié)閥A、B、C的位置要求要通過壓差補償計算而得，目的是使實際的焦爐煤氣流量與需要的流量相等。

2 低熱值運行優(yōu)化

M701S（F）型燃氣輪機熱值控制為自動控制，即從點火升速、定速，到并網(wǎng)、接帶負荷及各個運行工況，熱值控制均由邏輯控制自動實現(xiàn)，運行操作人員只需要監(jiān)視其他相關參數(shù)，無法人為操作調(diào)整。燃氣輪機混合煤氣熱值最初是基于4 400 kJ/m3設計，除了在點火升速階段，運行熱值根據(jù)煤氣熱值的波動，通過混合煤氣熱值控制系統(tǒng)，增加或減少焦爐煤氣的摻混量以維持混合煤氣的設計熱值。為實現(xiàn)減燒焦爐煤氣，在維持機組出力穩(wěn)定和效率不下降的前提下，降低混合煤氣熱值，采取了以下技術(shù)改進措施：

（1）在DCS控制畫面中增加熱值手動調(diào)節(jié)器。在啟機和150 MW負荷段以下，仍采用熱值自動控制。當啟機完成，機組150 MW負荷段以上，可以通過操作熱值手動調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)熱值手動加、減調(diào)整控制。

（2）依據(jù)燃機壓縮機入口溫度，限定熱值手動調(diào)整安全范圍，并增加燃燒室車室壓力高報警限制。降低熱值，減少焦爐煤氣耗量，為保證機組出力不變，高爐煤氣耗增量相比于焦爐煤氣削減量要大，總?cè)剂狭吭黾?，燃燒室車室壓力增大。為防止燃燒室超壓損壞，保證設備安全運行，增加燃燒室車室壓力高報警保護（1.765 MPa）。因為大氣溫度不同，燃燒室車室壓力不同。根據(jù)運行數(shù)據(jù)，滿負荷運轉(zhuǎn)條件下，當大氣溫度為15℃時，燃燒室車室壓力達到峰值1.726 MPa。當大氣溫度高于或低于15℃時，燃燒室車室壓力則小于1.726 MPa。因此可依據(jù)燃機壓縮機入口溫度對熱值分別設定下限，以保證在燃燒室車室壓力不超壓的前提下，合理降低混合煤氣熱值。燃機壓縮機入口溫度為-5，5，15，25，30℃時，熱值設定下限分別為4 200，4 200，4 250，4 250，4 250 kJ/Nm3。

（3）增大燃機壓縮機入口導葉開度設定。低熱值運行時，削減焦爐煤氣投入量后導致進入燃燒室的煤氣量增加，燃燒室車室壓力隨之上升，燃機壓縮機可能會達到喘振界限。為了防止燃機壓縮機發(fā)生喘振，需要增大燃機壓縮機入口導葉開度，增大空氣流量。其邏輯設定修改如圖2所示。

圖2 邏輯修改前、后壓縮機入口溫度與入口導葉開度的關系Fig.2 Relationship between gas temperature and inletguidevanes opening of gas compressor

（4）在90～150 MW負荷范圍內(nèi)，熱值自動控制值降低150 kJ/m3。正常運行時，機組負荷范圍為90～300 MW，150 MW以上，熱值可以手動調(diào)節(jié)。150MW以下，熱值為自動控制，其邏輯設定修改如圖3所示。

圖3 邏輯修改前、后熱值隨燃機負荷的設定曲線Fig.3 Thecomparison of calorific set curve before and after logic control modification

（5）加強機組運行參數(shù)的監(jiān)視與調(diào)整，尤其是燃燒室壓力振動檢測、煤壓機入口導葉開度，煤壓機推力平衡溫度等與熱值調(diào)整密切相關的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常，及時采取措施，保證機組安全運行。

3 結(jié)果分析

實際運行效果表明，經(jīng)過上述自動控制邏輯修改和手動調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，可以再保證機組穩(wěn)定運行和輸出功率不降低的情況下，降低混合煤氣熱值設定，從而降低高熱值煤氣的摻混量。鞍鋼高爐煤氣的熱值平均值為3 700 kJ/m3，焦爐煤氣的熱值平均值為17 903 kJ/m3。由于混合煤氣的熱值變化，其混合煤氣量也相應變化。

焦爐煤氣耗量與混合煤氣熱值的對應關系如表1所示。降低混合煤氣熱值，可以有效的減少焦爐煤氣耗量。當混合煤氣熱值由4 400 kJ/m3降到4 200 kJ/m3，每小時最多可減燒焦爐煤氣6 282 m3/h，節(jié)省燃料成本3 486元/h，創(chuàng)效效果明顯。

表1 焦爐煤氣耗量與混合煤氣熱值的關系Tab.1 Relation between consumption of COG and calorific value of mixing gas

4 結(jié)論

（1）減少焦爐煤氣摻混量，混合煤氣熱值降低，為保證燃燒穩(wěn)定，保證機組順利啟動和安全運行，需要采用熱值自動控制與手動控制相結(jié)合。在啟機和150 MW負荷段以下，仍采用熱值自動控制，熱值自動控制值降低150 kJ/m3。當啟機完成，機組150 MW負荷段以上，可以通過操作熱值手動調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)熱值手動加、減調(diào)整控制。

（2）300 MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組采用低煤氣熱值方式運行，采取切實有效的技術(shù)措施，監(jiān)控運行參數(shù)在正常范圍內(nèi)，完全可以保證機組安全穩(wěn)定運行。通過熱值的動態(tài)調(diào)整，不僅可以減燒焦爐煤氣降低發(fā)電燃料成本，對平衡公司高、焦爐煤氣管網(wǎng)用量也可以起到調(diào)節(jié)作用。

［1］劉旭，孫明慶.鋼鐵廠燃用低熱值煤氣燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置探討［J］.鋼鐵技術(shù)，2003（7）：37-44.

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［7］馬鳴太.以COREX煤氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組控制策略研究與實現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學電子信息與電氣工程學院，2012.

［8］雍一正.M701SDA型高爐煤氣燃氣輪機低熱值運行技術(shù)優(yōu)化［D］.南京：東南大學潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點實驗室，2015.

Optimization of low calorific value operating technology on gas turbine of 300 MW CCPP in steel plant

WANG Xin1，YUAN Chao1，HUO Zhaoyi2

（1.The Second Power Plant of Anshan Steel Company，Anshan 114012，China；2.School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；）

In order to reduce coke oven gas consumption，the adjustment of co-firing of blast furnace gas and cove oven gas in 300 MW CCPP is studied in this paper.The calorific value of mixing gas entering into the gas turbine is automatically controlled.Under steady operation conditions，the relation of the calorific value and operating load is analyzed，and the control strategy is improved to reduce the consumption of cove oven gas and save the operating cost.The practical operating results show that the proposed technical methods and control strategy are feasible and effective to save the operating cost.

CCPP；blast furnace gas；cove oven gas；control strategy

August 28，2016）

TF058

A

1674-1048（2017）01-0006-04

10.13988/j.ustl.2017.01.002

2016-08-28。

遼寧省教育廳科學技術(shù)研究一般項目（L2015257）。

汪新（1982—），男，遼寧鞍山人，工程師。